一種跳預(yù)約多址接入?yún)f(xié)議的Qualnet仿真

許鳳揚(yáng)，賈連祥，馬 鑫，李海源，瞿力揚(yáng)

（1.73687部隊(duì);2.66287部隊(duì);3.61541部隊(duì);4.61401部隊(duì);5.72506部隊(duì)）

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是由一組帶有無(wú)線收發(fā)裝置的移動(dòng)終端組成的多跳臨時(shí)性自組織系統(tǒng)［1］，網(wǎng)絡(luò)同時(shí)具備移動(dòng)通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的計(jì)算機(jī)通信和數(shù)據(jù)收發(fā)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有無(wú)中心、自組織、多跳協(xié)作、抗毀性強(qiáng)、易于快速部署等優(yōu)點(diǎn)，在臨時(shí)組網(wǎng)通信、車載Ad Hoc通信、軍事通信、災(zāi)難救援中具有廣闊的應(yīng)用前景。

信道接入控制（Media Access Control，MAC）協(xié)議控制節(jié)點(diǎn)接入無(wú)線信道，解決無(wú)線信道中潛在的競(jìng)爭(zhēng)和沖突，對(duì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的性能起著決定性的作用，一直是研究的重點(diǎn)之一。隨著無(wú)線終端技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)信道切換、配置多天線等方式可以很容易實(shí)現(xiàn)多信道通信，多信道MAC協(xié)議成為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)研究的新熱點(diǎn)。根據(jù)控制方式的不同，現(xiàn)有的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)多址接入?yún)f(xié)議可以分為專用控制信道協(xié)議［2］、基于模式分裂的多址協(xié)議［3］、基于多匯合點(diǎn)的協(xié)議［4］和跳預(yù)約多址接入?yún)f(xié)議［5］。由于無(wú)線通信的開(kāi)放性，容易受到人為和非人為的干擾和破壞，對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。

在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)中，性能仿真比較是驗(yàn)證協(xié)議完善性、優(yōu)越性的重要環(huán)節(jié)。本文利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件Qualnet對(duì)可變時(shí)隙跳預(yù)約多址接入?yún)f(xié)議（Variable Slot Hop-Reservation Multiple Access，VS-HRMA）［6］進(jìn)行仿真，對(duì)該協(xié)議在 Qualnet軟件中的實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并通過(guò)與現(xiàn)有MAC協(xié)議的仿真比較，對(duì)協(xié)議的優(yōu)越性進(jìn)行了評(píng)估。文章第2節(jié)介紹了VS-HRMA協(xié)議，第3節(jié)介紹了在Qualnet中加入VS-HRMA協(xié)議的方法，第4節(jié)給出了仿真結(jié)果，最后進(jìn)行了小結(jié)。

1VS-HRMA協(xié)議介紹

VS-HRMA是一種跳預(yù)約多信道接入?yún)f(xié)議，是建立在高速跳頻基礎(chǔ)上的多信道多址接入機(jī)制。協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)中的可用頻率按照跳頻組網(wǎng)原理組成一個(gè)跳頻圖案，得到N個(gè)跳頻信道，其中一個(gè)作為公共信道，其余作為數(shù)據(jù)信道。所有信道的第一個(gè)時(shí)隙均為同步時(shí)隙，在該時(shí)隙內(nèi)，節(jié)點(diǎn)回到f0收發(fā)同步信標(biāo)。節(jié)點(diǎn)平時(shí)在公共信道上轉(zhuǎn)換頻率，需要通信時(shí)通過(guò)RTS/CTS握手預(yù)約數(shù)據(jù)信道，每次成功預(yù)約數(shù)據(jù)信道后能夠使用的時(shí)間為一個(gè)跳頻周期。協(xié)議幀機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1VS-HRMA協(xié)議

2 VS-HRMA協(xié)議在Qualnet軟件中的實(shí)現(xiàn)

2.1 Qualnet軟件簡(jiǎn)介

Qualnet是一種仿真速度快、擴(kuò)展性和保真度都極強(qiáng)的新一代網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)［7］。Qualnet軟件使用與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧相同的分層架構(gòu)，數(shù)據(jù)傳送的仿真，在發(fā)送節(jié)點(diǎn)上從應(yīng)用層傳送到物理層，到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)，從物理層相應(yīng)地傳送到應(yīng)用層。Qualnet分層協(xié)議棧如圖2所示。

圖2 Qualnet分層協(xié)議棧

Qualnet支持常見(jiàn)的各層協(xié)議，MAC層協(xié)議包括802.1、CSMA、Aloha等，為仿真和代碼開(kāi)發(fā)提供了參考和對(duì)比的基礎(chǔ)。此外，與常見(jiàn)的其它網(wǎng)絡(luò)仿真軟件如OPNET、NS2相比，它在無(wú)線信道建模和仿真速度等方面均有明顯的優(yōu)勢(shì)，是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)仿真的首選工具。此外，Qualnet軟件內(nèi)置了許多現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并且添加新協(xié)議十分簡(jiǎn)便，因此，本文選用Qualnet軟件對(duì)VS-HRMA協(xié)議進(jìn)行仿真。

2.2 VS-HRMA協(xié)議在Qualnet中的實(shí)現(xiàn)

Qualnet軟件中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，除了相應(yīng)的接口外，都是相對(duì)獨(dú)立的代碼，添加新協(xié)議時(shí)，只需按照接口要求，編寫代碼并重新編譯即可。為了仿真VS-HRMA協(xié)議的性能，在分析協(xié)議主要操作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，給出了協(xié)議實(shí)現(xiàn)的有限狀態(tài)機(jī)，如圖3所示。

網(wǎng)絡(luò)中所有的信道均為跳頻序列，其中公共跳頻序列作為控制信道，所有節(jié)點(diǎn)均知道該序列。節(jié)點(diǎn)的同步由網(wǎng)絡(luò)初始化負(fù)責(zé)，所有的狀態(tài)切換均在時(shí)隙開(kāi)始時(shí)刻進(jìn)行，以避免狀態(tài)和信道切換的混亂。

初始化以后，節(jié)點(diǎn)獲得同步，并處于空閑狀態(tài)（Idle），在公共控制信道序列上同步跳轉(zhuǎn);如果有數(shù)據(jù)發(fā)送，則在下一個(gè)時(shí)隙開(kāi)始公共信道序列的當(dāng)前信道;如果偵聽(tīng)到廣播消息或者其他節(jié)點(diǎn)的預(yù)約消息RTS，則退避隨機(jī)個(gè)時(shí)隙重新決定是否偵聽(tīng);如果偵聽(tīng)到信道空閑，則發(fā)送RTS，并在公共跳頻序列上等待回復(fù)，超時(shí)還沒(méi)有收到CTS消息，則進(jìn)入退避狀態(tài)（目標(biāo)節(jié)點(diǎn)此時(shí)可能正忙或RTS碰撞）;如果收到CTS，則在下一個(gè)時(shí)隙開(kāi)始時(shí)切換到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)選擇的數(shù)據(jù)信道序列上收發(fā)數(shù)據(jù)消息;處于空閑狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)收到RTS消息之后，如果沒(méi)有正在與其他節(jié)點(diǎn)通信，則恢復(fù)CTS消息，并進(jìn)入等待數(shù)據(jù)狀態(tài)，收到數(shù)據(jù)消息之后回復(fù)ACK。

為了仿真VS-HRMA協(xié)議的性能，參照原有協(xié)議代碼特點(diǎn)，編寫了mac_vs-hrma.cpp和mac_vs-hrma.h兩個(gè)文件實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)中描述的協(xié)議功能。

圖4 仿真場(chǎng)景

圖5 仿真結(jié)果

圖3 VS-HRMA協(xié)議狀態(tài)機(jī)

3 仿真設(shè)置與結(jié)果

為了檢驗(yàn)隱終端和暴露終端以及業(yè)務(wù)之間的相互影響，我們選用了圖4所示的場(chǎng)景進(jìn)行仿真。

仿真網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層采用CBR業(yè)務(wù)，報(bào)文大小512字節(jié)，路由層采用常用的DSR協(xié)議，物理層信道采用802.11協(xié)議的物理層。MAC層方面，在2.4 Ghz頻段隨機(jī)選取16相隔50 M的頻點(diǎn)，按照正交的原則，生成16個(gè)信道序列。仿真比較協(xié)議與現(xiàn)有幾種典型MAC協(xié)議的性能差異，結(jié)果如圖5所示。

由圖5（1）和5（2）可見(jiàn)，無(wú)線自組網(wǎng)最重要的兩個(gè)指標(biāo)吞吐率和平均端到端時(shí)延方面，VS-HRMA明顯優(yōu)于802.11等現(xiàn)有MAC協(xié)議;第一個(gè)報(bào)文到達(dá)時(shí)間上，VS-HRMA僅比Aloha慢0.1s左右，比其他協(xié)議至少快1秒，這是因?yàn)锳loha協(xié)議交互過(guò)程最簡(jiǎn)單，反應(yīng)最快，而我們的協(xié)議在進(jìn)行了RTS/CTS交互，減輕隱終端、暴露終端的影響的情況下，仍然能夠?qū)ν话l(fā)數(shù)據(jù)快速反應(yīng);在平均時(shí)延抖動(dòng)方面，我們的協(xié)議優(yōu)于MACA，但是比其他協(xié)議相對(duì)較差，這是源于使用跳頻信道，信道轉(zhuǎn)換較多造成的。綜合上述數(shù)據(jù)可以看出，VS-HRMA協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)性能明顯提高。

4 小結(jié)

本文首先介紹了一種跳預(yù)約多址協(xié)議，分析了Qualnet軟件在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)仿真中的應(yīng)用，針對(duì)VS-HRMA協(xié)議在Qualnet中編寫代碼實(shí)現(xiàn)，并與現(xiàn)有的無(wú)線自組網(wǎng)MAC協(xié)議進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示，我們的協(xié)議使得網(wǎng)絡(luò)性能明顯提高。

下一步的工作，還需要比較VS-HRMA協(xié)議與HRMA等其他協(xié)議的性能差別，同時(shí)更換不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，?yàn)證協(xié)議性能并進(jìn)一步改進(jìn)協(xié)議。

［1］王金龍，王呈貴，吳啟輝，等.Ad Hoc移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［2］C.-S.Lin，M.-C.Wueng，T.-H.Chiu，et al.Concurrent Multi-Channel Transmission（CMCT）MAC Protocol forWirelessMobileAd HocNetworks［C］.ICACT07，F(xiàn)eb.2007.

［3］Jungmin So，Nitin Vaidya.Multi-Channel MAC for Ad Hoc Networks:Handling Multi-Channel Hidden Terminals Using a Single Transceiver［C］.MobiHoc＇04，May 2004.

［4］Paramvir.Bahl，Ranveer.Chandra，John Dunagan.SSCH:Sloted Seeded Channel Hopping for Capacity Improvement in IEEE802.11 Ad-Hoc Wireless Networks［C］.MobiCom04，Sept，2004.

［5］Z Tang，J J Garcia-Luna-Aceves.Hop-Reservation Multiple Access（HRMA）for Ad-Hoc Networks［C］.in.Pro of the 9th INFOCOM，1999.

［6］Jian-zhao Zhang，Yu-sheng Li，Yong-xiang Liu.Hop-Reservation Multiple Access with Variable Slots［J］.Procedia Engineering，2012，29:3012-3016.

［7］徐洋，徐兵，王瑩.基于Qualnet的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈協(xié)議跨層通信機(jī)制［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2006（6）:10-13.